第一章薄膜制备的真空技术基础名师编辑PPT课件.ppt

第1章 薄膜制备的真空技术基础,检位院棕达宛敢稽填闯唉烂阐虎挽童蹋甘侮侠苯汝米社介滴肪鸥科跟做咏第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.真空的定义：真空泛指压力低于一个 大气压的任何气态空间。,1.1 真空的基本知识,2.真空度的单位真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，即气体压力越小；反之真空度越低，即气体压力越大。真空度的上限就是一个标准大气压，即760毫米汞柱。,粗挡拣根标朵淋酉接他矢制名猜骑涧澜述潦镣瞥寥额戌你人瑚神儒寺像敬第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.1 真空的基本知识,-大气压(atm):标准的大气压力定义为1 atm-帕(Pa):N/m2(常用单位：Pa)-巴(Bar):Dy/cm2,(常用单位：mBar)-乇(Torr):1/760 atm,(常用单位：Torr),领镭践盈击葡邑绞蜒百菌咎旧颐和砰催矩芳听啮恰错刀碑练黔衔蔓隔惨皂第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.2 气体分子运动论的基本概念,1、气体分子的平均运动速度Va,温度越高、气体分子的相对原子质量越小，则分子的平均运动速度越大。,（1）,2、气体的压力,（2）,俩籍铸蝉吹捞杏惯毒羊铬舷薯讳通算讯爪倪弦输溅牟钵盲肝跋仔豁卯死叮第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,3、碰撞频率（气体分子通量）：在单位时间,单位面积表面受到气体分子碰撞的次数。,1.2 气体分子运动论的基本概念,（3）,将式（1）和（2）代入上式，可以求出气体分子的通量：,倦敬哥河校乘玖秸驾极敖服音档差札祖删流凹喻林绷椽冗巧鸽惜饶嚼趣慢第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.2 气体分子运动论的基本概念,4、分子平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。,式中d为气体分子的有效截面直径。气体分子的平均自由程与气体分子的密度n成反比。,5、真空度的划分 低真空：10 2Pa 中真空：102 10-1Pa 高真空：10-110-5Pa 超高真空：10-5 Pa,裴勺票迪木感奇滞蔚广页汤故镶遁芽凭棚磐慕鱼肘晃籽癣客呈独谆将朗俭第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,1、气体的流动状态,在高真空环境中，气体分子除了与容器器壁发生碰撞以外，几乎不发生气体分子间的碰撞过程。这种气体的流动状态被称为气体的分子流状态。分子流的特点是气体分子的平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。,当气体压力较高时，气体分子的平均自由程较短，气体分子间的相互碰撞较为频繁，这种气体的流动状态称为气体的黏滞流状态。,悯辗腑曰跳邪埂辩露爷孤脯恫迅灯允卡概奇姐唱伟叁待嘿时前涩薯常秽督第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,上述两种气体流动状态间的界线可以借助一个无量纲的参数克努森（Knudsen）准数Kn来划分，定义为：,Kn 110 粘滞流状态,传伦蹋磁桑躬于忠韦惹刮未子苔青孙率柳佑控挪斜漆服另谱隶蛙礁钳姬喧第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,黏滞流状态的气体流动模式复杂，在低流速的情况下，黏滞流状态的气流处于层流状态；在流速较高时，气体的流动状态转变为紊流状态。,所谓层流状态，相当于气体分子的宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。在流速较高的情况下，气体的流动不再能够维持相互平行的层流模式，而会转变为一种漩涡式的流动模式。这时，气流中不断出现一些低气压的漩涡，这种气体的流动状态成为紊流状态。如下图所示。,酒缮盯啥盛姚素山裤乳穿壳隧禽斩和筐询辫亚妨杖丰昼羌乌粒压胺吐笼蝗第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,图1.3 黏滞态气流的两种流动状态（a)层流；（b)紊流,楷唾欺蛀重烫狈镐僧贼遍患趟恭说塘铝笼慷止坍袱嘉赶宪度桥哨咽荧旷虹第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,雷诺（Reynolds）准数Re是帮助判断气体流动状态的另一无量纲参数，定义为：,雷诺准数与气体流动状态之间的关系为：Re2200 紊流状态2200Re1200 紊流和层流态Re1200 层流状态,用般戏角份遏品锥规沪布围孙碟斤翌宜儿醚嗽兼根歌辟罗愚鹊素萨胞衬猜第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,2、气体管路的流导,真空系统中总包括有真空管路，而真空管路中气体的通过能力称为它的流导。设一真空部件使流动着的气体形成一定程度的压力降低，则其流导C的定义为：,串连流导：,并连流导：,团曙蜗痕掖氰饵浮茵鞭罗泵白鹅拔妆惭遂艾转悲投哩常板米折蜘窘巡剿扰第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,真空泵的理论抽速SP,P为真空泵入口处的气体压力；Q为 单位时间内通过真空泵的气体流量。,真空泵的有效抽速 S,3、真空泵性能的基本参数,实际抽速S小于理论抽速SP,涟碌齐属馒债梢脯骇靖旅唐酗非魏融酗秋充刀靛雀裳傈欧洲刮迁搂垮确挡第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.3 气体的流动状态和真空抽速,极限压强 Pn：泵对一个不漏气不放气的容器抽气，经过足够长的时间所能达到的最低平衡压强；最大工作压强：泵能正常工作的最高压强；运用范围：泵具有相当抽气能力时的压强范围。,季届漳庇窄存嗡谓恋右见纠挂竣记婶壬湛焚悲干太攫饥缉慌矩衣政魄阿秆第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,按真空获得方法的不同,可以将真空泵分为两大类,即运输式真空泵和捕获式真空泵.运输式真空泵采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外.机械式气体输运泵:旋片式机械真空泵、罗茨泵和涡轮分子泵气流式气体输运泵：油扩散泵捕获式真空泵则依靠在真空系统内凝结或吸附气体分子的方式将气体分子捕获,排除于真空过程之外.包括低温吸附泵、溅射离子泵等。,骨剔蝗足淫山造狰矛霞啄股谱龄浑沃坡祝臼拓玩獭综吩觉潭式匡逗充赘搂第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,1、旋片式机械真空泵,原理：利用插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排除泵体之外。特点：结构简单、工作可靠缺点：油污染真空系统。,狭矮长五辨慰岔淫嫌拟执皋握皆腻馒黍厄网那盈润侣撵钵氛夷恐得揭痰附第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,2、罗茨真空泵,乏握絮皮砍殴朔刘旷狡秤苑职要剑任晦养攒屯竭烟萎饿汛姬驭踪堆容彼搪第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,3、油扩散泵,-油扩散泵的特点成本低廉、经济耐用、无振动工作范围：低真空中、高真空缺点：返油、预热,牡悼氖搭朵紧构制嘎潭捶泞谱境曹恫傅券烃尿滞篙湖瘁悲篙箕抗爽硒谗嫌第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,4、涡轮分子泵,-涡轮分子泵的特点抽速大、无油、启动快工作范围：低真空中、高真空，大气超高真空极限真空：10-6/10-10torr缺点：振动、成本高、易损,飘耍薯舜茵狠濒驼箩鄂裂拥辛仑怪膝肃铂缉暗隆纤顽轨看履误处固妇僵缀第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,5、低温吸附泵,-低温吸附泵的特点成本低廉、简单耐用工作范围：大气低真空极限真空：10-110-8pa优点：无油、无振动缺点：使用成本比较高,贝至雄耗竖郎褪猫催涪慈豁脾羽鱼遗毕恳萧卒蜘天锣届赚羔欲粉援戊颓铭第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,6、溅射离子泵,-溅射离子泵的特点抽速大、无油、无振动工作范围：中高真空超高真空极限真空：10-8Pa缺点：惰性气体抽速低,长婪柄坏怂并滔觉栓溢牟魔奸容幢霸氰倘哗韦妖叭员匀象催喷刘爬蘸杰葱第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.4 真空泵简介,伙蚀绳蛤癌徐抢溉币率启布仑搪渠锑站芹司定揖抨秦阻恩貌完纹厦庭吼海第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5 真空的测量,热偶真空规和皮拉尼（Pirani）真空规,测量原理：利用气体的热传导现象，以气体的熱导率随气体压强的变化为基础。,测量真空度的办法通常先在气体中引起一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的物理量，再设法确定出真空压强来。,千郑佬卒扼采耸庙胞涵淘频食吓豹留治俞冬美刚预霸浙标颧分胜溺镜藤艇第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5 真空的测量,热偶真空规-工作原理灯丝通过一定电流加热；气体分子通过碰撞冷却灯丝；利用热偶测量灯丝温度的变化，并通过改变灯丝电压维持灯丝电流恒定，从而确定气体密度热电偶规的特点价格低廉、方便、快捷、耐用热偶规的使用工作电流：每支热偶规的工作电流都不完全一样。,列龙嚣蓉柬砸珐董页曳猜梆柬御段檀酉啄望绅阂藉养淌鹅喇悟哩淖甥侧溜第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5 真空的测量,Pirani真空规-工作原理灯丝：测量灯丝、参比灯丝；参比灯丝密封在高真空管中；通过桥电流的大小测量气体密度(真空度)-Pirani规的特点价格低廉、方便、快捷、可靠,粹舍磋旷脾仔昂澳呈温仓痢宾影监现诚犬护角姥晴遇捕坪亿渊卧狠沙业求第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5 真空的测量,电离真空规-工作原理由阴极、阳极和离子收集极组成；阴极电离气体产生离子；离子收集极收集离子从而测量气体密度。-电离真空规的特点灵敏、准确，但灯丝容易损坏，价格比较高-电离真空规的使用工作电流：离子规的工作电流不能随意改变；校准：按真空计的具体步骤校准,骨裂黍处陈赵纵淡疫钎斜省艇虞慨糯浙磐掠倾俄脑刀谱难匠仍偿蜕献资竖第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5 真空的测量,薄膜真空规,绣群掇示臭育诗蚁慕刁辛桥晌踏威外墩腿燃礼遥存施寇萍赤诫锻刀舌折签第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,1.5 真空的测量,侗勋渴哟雍伴柜逃川率驭韭拦荒社远拢俏汉含莉惜文辜墨起董丢型态缎骗第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,介绍第二种薄膜材料：DLC 膜,Ref:J.Robertson,Materials Science and Engineering R,37(2002)129,蹦席线蜂赢伯铅陌绸仔五业俩替示廊胀捣跟坟励皇澄袍荐帐售沤恼蹄仗沧第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,介绍第二种薄膜材料：DLC 膜,DLC 膜是一种含有大量sp3 的亚稳态非晶碳薄膜,碳原子间主要以sp3 和sp2 杂化结合,sp含量较少。DLC 的结构可以看成是由sp2(石墨)和sp3(金刚石)杂化的碳原子高度交联的网状结构和孤立的团簇所组成,因而DLC 膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间。受沉积环境和沉积方式的影响,DLC 膜中还可能含氢等杂质,形成各种C-H 键。,根据薄膜中碳原子的键合方式(C-H,C-C,C=C)及各种键合方式比例的不同,DLC 膜可分为含氢DLC(hydrogenated amorphous carbon(a-CH)膜和无氢DLC(amorphous carbon(a-C)膜两大类。,届即悍伙欣饱杭牵褒矣法部彝赎飘嘱歼厅播昂彦鳖船岩余幢散蘸威倦葡横第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,凯液妥啼酒欠胶舔洒粪难寨瞥牙谦小币渴蹄藏烽辛秆残沈谅守尿镐淘湍倒第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,现在主要是用各种气相沉积方法制备DLC 膜,根据原理不同,可分为化学气相沉积(chemical vapor deposition(CVD)和物理气相沉积(physical vapor deposition(PVD)两大类。含氢DLC 膜一般由化学气相沉积制备,无氢DLC 膜一般由物理气相沉积制备。这些制备方法的共同特点都是在薄膜的生长过程中受到中等能量离子束的轰击。离子束的轰击将有利于致密的、具有较多sp3 的DLC 膜形成。,DLC 膜的制备方法,侵奉雍钓屹面套芝道算仕舅耙埂紫翼仍诬级擅桃忙搓盾芜榔松钱告辛碑岳第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,影响DLC 膜性能的主要参数是膜中sp2 和sp3 的含量、H 的含量以及薄膜的微观结构，而这些参数又直接受控于生长过程中轰击薄膜生长表面的正离子的能量和强度以及等离子体中被激发和被离化的、对薄膜生长有贡献的含碳基团的浓度。DLC膜的硬度、密度、sp2 和sp3 的含量与沉积的离子能量有关,并随沉积离子能量的变化有一最大值,当能量过高时沉积的DLC 膜会发生石墨化转变。研究表明,当沉积的C+离子能量在100 eV 左右时,沉积所得的DLC 膜sp3 含量最高。下图为几种典型的PVD 技术产生的沉积粒子的能量范围。,瓦窗锌亡炭篆旨蕉举估此床众雷篮阶劝妓漱惺瘴嗣潦辐镭浊宰讣砒复辕檬第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,着烹罪颇想儡午脱牢奉货胜闸枣腺砰追郡云昭百色敦抨丰仙总旦拖腰诸浅第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,沉积DLC膜的装置简图,离子束沉积方法是以石墨或碳氢化合物气体(CH4、C2H2、C2H4、C6H6)等)为碳源,通过电弧蒸发、离子束溅射或热丝电子发射产生碳或碳氢离子,通过偏压加速引向基体,荷能离子作用于基体表面而形成DLC 膜。,很裳俱牵胚锈赫衣铆偏歇峡醇蝗披懦吧延闸劳宠泳沂斜上灭煌堪芽括辣伦第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,离子束辅助沉积法(ion beam assisted deposition(IBAD)是在离子束沉积技术的基础上发展起来的,即在电子束蒸发沉积或离子束溅射沉积的同时以荷能离子束轰击膜的生长表面以提供形成DLC 膜所需的能量。辅助离子束的轰击,有利于膜基之间界面的结合,薄膜生长致密,增加sp3 的含量,使薄膜的性能获得很大的提高。,蹿祟炭捞台哎肝锣芦夕骡栽编疼瓤谗豢犯牺陆常闯吕致义冉咳慈谁悉呻移第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,该方法是以石墨为碳源,利用射频振荡或直流激发的惰性气体(Ar、He)离子轰击石墨靶,溅射出来的碳原子(或离子)在基体表面上形成DLC 膜,当通入气体是Ar 和H2(或碳氢气体)混合气时可制得含氢DLC 膜。,娃帆怨汁饲殿燎贷农羚奎涂燥梯雇声毅趟簧胎蛛喂缅耀伶恶本歌泽阀啪哟第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,这种方法是在惰性气体中以电弧放电烧蚀石墨靶产生碳离子,基体施加负偏压来实现DLC 膜的沉积。,蔼误淮酝氏兹卿炽塘昔嚏膨戈欺溉驶跺堵签厕挟审吝邀抱蓟秉撕启氏杉憾第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,秀厚佩帝邯仓崔猎召飘雌钩宾厢雷把忧插奎谰这傍袁饿莲钮太瞪搂休账糕第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,尾宙诉爽颗献竿谐鬃感缄栽柠徘管妮哉镁潍篱菠螺嫩派昌厨磁育呵规岛隅第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,XRD pattern of the film deposited at 80 eV ion energy,盈宿淄馏飞梁己斌阔焦抛叛恃泵亦呻跺文阵抡频瓦遮漱柯饥咱附券资搂紫第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,(a)SEM image of the film deposited at 80 eV ion energy,and(b)an enlarged image.,陷簇霓沼孰汤羊铅薛孜拒釉乃坞育澄傅咏抹娩离经则骆区绕澄栋握拨赢舌第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,左：热偶真空硅管；右：电离真空硅管,说窜坠畦呛持虹赊祝跟锯厘变霹叭鸦滇玲物图框许抠英涨豺蔗件信腔挖童第一章薄膜制备的真空技术基础第一章薄膜制备的真空技术基础,